计及配电公司特许经营权的产消者点对点交易模型_詹博淳.pdf

第 43 卷 第 7 期2023 年 7 月电 力 自 动 化 设 备Electric Power Automation EquipmentVol.43 No.7Jul.2023计及配电公司特许经营权的产消者点对点交易模型詹博淳1，2，冯昌森3，林哲敏4，邵筱宇5，文福拴1，2（1.浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027；2.浙江大学 海南研究院，海南 三亚 572024；3.浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023；4.安徽电力交易中心有限公司，安徽 合肥 230009；5.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽 合肥 230071）摘要：在针对配电系统层面设计点对点电力交易机制时，需要考虑配电公司所拥有的特许经营权，通过设计适当的网络收费模式有效补偿配电系统基础设施所有者的投资和运行成本。提出一种计及配电公司特许经营权的产消者点对点交易模型。基于配电公司和产消者之间的主从互动关系，建立基于电气距离的过网费定价双层博弈模型，上层为以配电公司收益最大为目标的过网费价格决策模型，下层为考虑过网费的产消者最优调度模型；基于卡罗需-库恩-塔克（KKT）条件将双层博弈模型转化为单层混合整数规划问题，进而得到过网费价格；利用交替方向乘子法分布式求解产消者点对点实时交易电量和交易电价。IEEE 33节点配电系统的仿真结果验证了所提模型能在保证配电系统安全运行的基础上保障所有产消者利益，且能合理补偿配电公司因放弃部分特许经营权而产生的收益损失。关键词：特许经营权；点对点交易；主从博弈；过网费；KKT条件；交替方向乘子法中图分类号：TM73 文献标志码：ADOI：10.16081/j.epae.2023050040 引言国家发展改革委和国家能源局发布的 关于加快建设全国统一电力市场体系的指导意见（发改体改 2022 118号）1，要求健全分布式发电市场化交易机制，鼓励含有分布式光伏、分散式风电等产消主体之间的直接交易，增强就近消纳新能源和安全运行的能力。因此，在遵循市场规律和保障电力系统安全稳定运行的前提下，有必要研究如何针对产消者点对点（peer-to-peer，P2P）交易的特点设计一种安全、透明、公平的市场运行模式和交易机制，这也是现代电力工业市场化改革的重点问题之一23。近年来，为协调电力市场中新兴的产消者，学术界已对其P2P交易开展广泛研究。文献 46 提出多产消者P2P交易市场架构。文献 78 考虑分布式可再生能源的出力不确定性，建立产消者P2P交易的鲁棒优化模型，P2P交易模型的主要优点是可以使社会效益最大化，但集中式优化方法无法保护产消者隐私。文献 9 建立基于条件风险价值的多虚拟电厂电-碳-备用P2P交易模型，通过自适应步长交替方向乘子法（alternating direction method of multipliers，ADMM）进行分布式出清。文献 10 建立基于区块链的微电网电能交易机制。文献 910通过分布式算法或区块链平台实现P2P交易出清，以保护产消者隐私，但并未在P2P交易中考虑网络运行约束。进一步地，文献 11 提出一种能够有效考虑配电系统运行约束的P2P交易机制及其出清方法，但未在P2P交易中考虑过网费。现有的过网费定价模型主要有基于邮票法和合同路径法的定价模型1213、基于配电网节点电价（distribution locational marginal price，DLMP）的定价模型1415和基于电气距离的过网费定价模型1617。文献 12 建立基于邮票法并考虑传输电能量的过网费价格模型。文献 13 建立基于合同路径法的过网费价格模型。但过网费价格模型难以反映分布式产消者对配电线路的使用程度。文献 14 提出基于最优潮流模型的DLMP模型，但产消者间的P2P交易可能导致最优潮流无可行解。文献 15 建立基于二阶锥松弛的DLMP模型，在过网费中引入惩罚项，通过迭代求解产消者交易计划获得DLMP和相应的过网费价格。基于DLMP模型的过网费价格模型将网络约束以乘子价格信号的形式传递给产消者，激励产消者进行缓解线路阻塞的P2P交易，但计算复杂度较高且有一定程度的计算误差。文献 1617 建立基于电气距离的过网费定价模型，并对过网费在发电机和负荷之间的分摊等问题进行深入分析。上述研究均未将配电公司和分布式产消者作为独立的利益相关主体，未考虑配电公司运营成本和网络损耗成本的充分回收，难以实现多主体间利益的合理分配。在上述背景下，本文将配电公司和分布式产消者作为独立的利益主体，将二者的关系建模为主从博弈关系。在考虑监管约束的前提下，将基于电气收稿日期：20221226；修回日期：20230506在线出版日期：20230524基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFB2403100）Project supported by the National Key Research and Development Program of China（2022YFB2403100）158第 7 期詹博淳，等：计及配电公司特许经营权的产消者点对点交易模型距离的过网费定价模型引入配电公司的优化决策，从而有效降低配电公司特许经营权的受损量。同时，考虑到配电公司过网费价格决策和产消者P2P交易决策在时间尺度上的差异，利用ADMM实现在给定的过网费价格下产消者间P2P交易的分布式出清。最后，通过算例验证本文所提模型的合理性和有效性。1 考虑特许经营权损失的过网费定价模型1.1配电公司的特许经营配电公司具有政府赋予的特许经营权18，同时，配电公司所管辖地区的所有用户可以建设自备电厂，但自备电厂发的电只能供用户自身使用或卖给电网公司，而不能直接销售给其他用户19。只要辖区内用户需要用电，配电公司就有责任向其供电。特许经营权损失是由发电方和用户之间的电力交易不通过配电公司所引起的。在P2P交易中，产消者间可直接进行P2P电力交易，配电公司通过收取过网费以及提供电力兜底的售电服务获得收益。特许经营权损失为：floss=Rs-Rd（1）Rs=iApt=1TPti，b()tc-tbdt-Ctloss（2）Rd=iApt=1T|Pti，m()tc-tbdt+jAp|Ptijij，nett-Ctloss（3）式中：floss为配电公司的特许经营权损失；Rs为配电公司特许经营权未受损时的售电收入；Rd为产消者可进行P2P交易时配电公司的总收益，包括售电收入和过网费收入；Ap为产消者集合；T为过网费价格优化周期的时段数；Pti，b为t时段产消者i不参与P2P交易时从配电公司的购电功率；tc为t时段配电公司的售电价格；tbd为t时段配电公司从发电公司的购电价格；t为优化时段的时长；Ctloss为t时段的网损成本；Pti，m为t时段产消者i参与P2P交易时从配电公司的购电功率；Ptij为t时段产消者i与产消者j间的交易功率，其值大于0时表示产消者i的售电功率，其值小于0时表示产消者i的购电功率；ij，net为产消者i与产消者j交易的过网费价格。1.2过网费定价模型假设产消者i和产消者 j 进行P2P交易，相应的过网费价格为：ij，net=netCij，MWkm（4）式中：net为配电公司决策的过网费价格系数，用于补偿配电公司的特许经营权损失；Cij，MWkm为产消者i和产消者 j 进行P2P交易的边际兆瓦千米11，反映了产消者间的P2P交易对配电线路的使用程度。Cij，MWkm与产消者i和产消者 j 所在节点的基本兆瓦千米11有关，产消者i和产消者 j 所在节点的基本兆瓦千米分别为：Ci，MWkm=Ldfi，l（5）Cj，MWkm=Ldfj，l（6）式中：Ci，MWkm、Cj，MWkm分别为产消者i和产消者 j 所在节点的基本兆瓦千米；Ld为区域线路集合；fi，、fj，为潮流传递因子，分别表示在产消者i所在节点和产消者 j 所在节点增加单位发电功率并在任意选取的参考节点增加单位负荷功率时线路的潮流，其值通过交流潮流模型进行计算；l为线路的基准长度，其值通过将线路电压等级和线路类型按照成本比例折算到基准线路进行计算19。为使各节点的基本兆瓦千米与选取的参考节点位置无关，同时使进行P2P交易的产消者i和产消者j各分摊过网费的一半，本文采用修正系数Cij修正各节点的基本兆瓦千米。在已知Ci，MWkm和Cj，MWkm的前提下，可通过式（7）计算得到修正系数Cij，进而可得到产消者i和产消者 j 进行P2P交易的边际兆瓦千米Cij，MWkm。Cij，MWkm=Ci，MWkmCij2=Cj，MWkmCij2（7）2 配电公司与分布式产消者双层博弈框架2.1配电公司优化决策模型配电公司在产消者间进行P2P交易时的收入来源包括售电收入和过网费收入。在满足监管约束的前提下，配电公司通过优化决策过网费价格补偿其特许经营权损失，决策目标为过网费价格优化周期内的总收益最大，即：maxRd=iApt=1T|Pti，m()tc-tbdt+jAp|Ptijij，nett-Ctloss=iApt=1T|Pti，m()tc-tbd+jAp|Ptijij，nett-loss Ldt=1T()It2rt（8）minnetij，netmaxnet（9）RdRs=iApt=1T Pti，b()tc-tbdt-lossLdt=1T()It2rt（10）s.t.式(4)(7)（11）式中：loss为网络损耗成本系数20；It为t时段线路的电流；r为线路的电阻；maxnet、minnet分别为监管部门制定的过网费价格上限和下限。式（10）用于确保配电公司在特许经营权受损时获得的收益不超过其特许经营权未受损时的收益，以保护分布式产消159电 力 自 动 化 设 备第 43 卷者的利益，防止配电公司获取超额补偿。此外，配电公司应负责产消者间P2P交易的安全约束校核，确保P2P交易结果满足网络约束，即：Pt，F=Pt，z+Ld，Pt，F+(It)2r（12）Qt，F=Qt，z+Ld，Qt，F+(It)2（13）(Vt)2=(Vt)2-2(rPt，F+Qt，F)+(r2+2)(It)2（14）(It)2(Vt)2=(Pt，F)2+(Qt，F)2（15）V2，down(Vt)2V2，up（16）0(It)2I2，up（17）式中：Pt，F、Qt，F分别为t时段线路的有功潮流和无功潮流；Pt，z、Qt，z分别为t时段注入节点的有功功率和无功功率；为线路的电抗；Vt、Vt分别为t时段节点和节点的电压模值；V，up、V，down分别为节点电压模值的上限和下限；I，up为t时段线路的电流上限。2.2计及过网费的产消者优化决策模型分布式产消者以T个优化时段的总成本最小为优化目标，即：min Ctotal=iApt=1T()Cti，dg+Cti，bess+Cti，re+Cti，net+Cti，com（18）式中：Ctotal为分布式产消者的总成本；Cti，dg、Cti，bess、Cti，re、Cti，net、Cti，com分别为t时段产消者i的分布式化石能源发电机成本、电池储能装置成本、可再生能源发电成本、P2P交易的过网费成本和从配电公司的购电费用。1）分布式化石能源发电机成本Cti，dg包括发电成本Cti，ope和设备维护成本Cti，eqi，即：Cti，dg=Cti，ope+Cti，eqi=(opei，dgPti，dg+eqii，dgPti，dg)t=i，dgPti，dgt（19）式中：opei，dg、eqii，dg、i，dg分别为产消者 i 的发电成本系数、老化损耗系数和总成本系数；Pti，dg为t时段产消者i的分布式化石能源发电机有功功率。2）电池储能装置成本为：Cti，bess=i，bess(Pti，c+Pti，dc)t（20）式中：i，bess为产消者i电池储能装置的运行成本系数；Pti，c、Pti，dc分别为t时段产消者i电池储能装置的充电功率和放电功率。3）可再生能源发电成本为：Cti，re=(i，wPti，w+i，sPti，s)t（21）式中：i，w、i，s分别为